S波段星载SAR集中式固态发射机系统设计

赵海洋 王 晓 王卫华 郑 新

(南京电子技术研究所 南京 210039)

1 引言

星载合成孔径雷达(SAR)是一种空间对地观测的成像雷达，与光学遥感相比，具有全天候、全天时，可以穿透一定植被等优点，并且可以进行全球观测，在军事、民用等领域有广阔的应用前景[1－3]。

环境一号C卫星是我国首颗民用对地观测SAR小卫星，采用了适用于小卫星平台的 SAR有效载荷。大卫星平台的SAR载荷多采用相控阵体制，而环境一号C卫星采用了集中式体制SAR。区别于相控阵体制，集中式SAR所带来的问题是馈线传输功率大，且由于体积小造成单机功率密度大，从而热设计难度显著提高，微放电问题更加突出。国际上也只有俄罗斯、以色列等少数国家掌握了集中式体制SAR有效载荷技术，多采用行波管发射机[1,3]。

区别于行波管发射机，固态发射机具有低工作电压、长寿命、无灯丝预热时间等特点，在星载等空间领域得到越来越广泛的应用，有逐步替代行波管发射机应用于星载SAR领域的趋势[1,4]。

本文基于环境一号C卫星SAR应用背景，对某S波段星载SAR集中式固态发射机(简称“SAR固态发射机”)进行论述，该项目克服了研制周期短、早期机电热接口约束、技术难度大等困难，突破多项关键技术，并成功替代行波管发射机实现国产化应用。

2 主要技战术指标

频率：S波段；

输出峰值功率：≥ 3 kW；

功耗：≤1300 W；

效率：≥ 20%；

可靠度：0.98。

3 系统设计

常规固态发射机的原理组成如图1所示，低功率的射频输入信号经双工前级放大器放大，通过多路分配器等分成N路射频信号，作为末级功放组件的激励信号；N路末级功放组件输出再通过N路大功率合成器合成得到所需要的峰值功率[1,5,6]。

SAR固态发射机主要是将频率源送入的低功率射频信号进行分配、放大、合成形成高功率射频信号，送入SAR微波组合，通过由馈线网络送入SAR天线。考虑到星载应用环境和高可靠性的需求，设计中对系统方案进行了优化，通过利用一分支线电桥对调频信号源送入的两组信号进行主备切换，在星载 SAR领域首次实现了将分支线电桥应用于星载固态发射机的输入双工设计中，取代前级双工功放组件，取消了控保分机(图 1所示)中的复杂开关切换控制电路，避免了由双工开关引入的单点故障，提高了固态发射机系统的可靠性。

优化后的 SAR固态发射机原理框图如图 2所示。

3.1 末级功放组件设计

末级功放组件是 SAR固态发射机中的核心单元，也是SAR固态发射机研究的重点和难点所在。

根据星载应用设计需求，考虑到空间环境效应影响和链路传输功率的限制，末级功放组件的输出功率不应太大。SAR固态发射机在系统设计中，综合上述因素和S波段功率器件的选择考虑，末级功放组件按峰值功率500 W设计。

末级功放组件首次将串馈分配/合成方式应用于星载SAR固态发射机，这种合成方式便于组件集成，使得组件实现了结构小型化和输出大功率需求。组件内各放大单元均采用模块化设计，并设有温度检测和功率监测等电路，由SAR监控机或星务进行在轨遥测、遥控、监测处理。

末级功放组件的电原理框图如图3所示。

星载应用中，由于对大功率、小体积的特别需求，在SAR固态发射机的研究中，需要开展如真空环境下的高功率密度热设计和高功率真空微放电等多项关键技术。通过专题攻关研究，各项关键技术在本项目的工程应用中均取得了突破。

图1 常规的固态发射机原理框图Fig.1 Conventional solid-state transmitter principle diagram

图2 SAR固态发射机原理框图Fig.2 SAR solid-state transmitter principle diagram

图3 功放组件的组成框图Fig.3 Power amplifier component diagram

3.2 功率分配、合成设计

SAR固态发射机中，需要对射频功率信号进行必要的分配和相应大功率的合成，实现射频信号从低功率到所需要的大功率、高功率需求。

分配器是用于对频率源送入的输入激励信号进行等功率分配，分配后的信号由射频电缆传输至末级功放组件。

合成器则是实现对末级功放组件输出进行大功率合成，以形成SAR固态发射机所需要达到的辐射功率，本项目SAR固态发射机要求输出功率大于3 kW，所采用的功率合成器耐受功率超过12 kW，需要突破高功率下的真空微放电这一当前国际技术难题。

目前，在集中式固态发射机领域可用于实现功率分配、合成的电路形式主要有微带线、同轴线、板线及波导4大类，其指标特性比较见表1。

表1 不同类型分配/合成器性能优劣对比Tab.1 Comparison of different types of power divider/combiner performance quality

根据表1所示的各类型分配/合成器特性可知，微带线适用于低功率的场合，微带结构体积小且易于组件电路集成，在本项目中分配器即采用该方式实现。同轴线实现难度大，波导合成虽承受功率大，但体积、重量偏大，不适用于本系统的集成需求。而板线式功率合成承受功率介于同轴和波导之间，结构形式相对易于实现，同时输出口经同轴转波导变换后最终由波导口输出，便于系统连接布局和集成，可以作为本项目的选择。

通过对板线式合成器仿真优化设计，功率及损耗等指标完全满足使用要求。合成器的性能及场分布仿真如图4所示。

合成器的设计结合了本项目的实际应用功率需求，并开展了真空环境大功率合成器微放电攻关试验研究，解决了真空大功率微波设备的微放电关键技术难题。该合成器的成功应用也是星载SAR应用的一大技术创新点，这在国内星载领域尚属首次，国际上也没有同等功率量级的产品报道[4,7]。

3.3 功率合成计算

SAR固态发射机的功率合成是通过功率合成器的电压矢量合成来实现，合成公式见式(1)[6,8]：

式中：N表示参与合成的功放组件单元数；P1表示任定的一个参考单元输出功率； Pi(i =2,3,…,N)表示其它(N－1)个单元的输出功率； Φi(i = 2,3,…,N)表示(N－1)个单元与所选定的参考单元在合成端口呈现的相位离散差异；η表示合成器考虑插入损耗时的传输系数。

本项目的SAR固态发射机中采用了8路末级功放组件进行矢量合成，各路组件的输出功率及相位一致性如表2所示。

图4 合成器的性能和电磁场仿真结果Fig.4 Combiner performance and electromagnetic field simulation results

表2 各组件的输出功率及相位一致性数据Tab.2 Output power and phase data of every power amplifier

根据表2对某特定频率f测得各路功放组件的输出功率及其相位一致性数值，合成器的损耗实测值为0.4 dB，折算成考虑了插入损耗时的传输系数η=0.91，再由式(1)计算可得，总输出功率P∑=3654.5 W，计算结果同实测值一致。

3.4 供配电设计

SAR固态发射机的供配电主要是完成对一次电源母线进行分配与控制，将一次电源变换为固态发射机内部各单机组件所需的其它品种低压直流电。根据星务和监控计算机提供控制指令为+12 V和－5 V等二次电源输出提供开关机使能信号。

供配电电路设计原理如图5所示，采用二极管并联方式，实现冗余功能，利用二极管自身具有反向阻断功能，起到故障隔离的作用。为提高系统供电可靠性，对二次电源供电采用冷备份方式，通过SAR监控机和星务来控制主、备路工作切换。

图5 SAR固态发射机供配电原理框图Fig.5 Power supply principle diagram of SAR solid-state transmitter

配电的每路输出采用多线并联接入，为防止各路电源短路失效造成总供电失效，每路都采取了必要的短路保护措施，保护方式为熔断器或限流电阻方式。主要是对大电流的一次电源、较大电流的二次电源供电采用保险丝方式，对小电流的5 V则采用限流电阻方式。

3.5 机热一体化设计

由于星载平台本身对体积重量都有明确限制要求，SAR固态发射机需小型化、机热一体化设计。

SAR固态发射机的热耗近1000 W，且热源相对集中在射频放大单元，功率密度高达3.5 W/cm2。受体积空间包络的约束，SAR固态发射机采用空间立体式分层排布来实现：首先，对热耗大的有源部件(如射频放大单元)，置于最底层直接安装于有热控措施的卫星+Y上侧壁板上，便于大功率有源部件的有效热传递；其次，对热耗小的有源单元置于第2层放置；最后，对无源部件由于其热耗更小则通过固定框架安装置于顶层，各组件的信号连接通过电缆网来实现，通过固定夹连接。

根据机热一体化布局设计可知，SAR固态发射机热传导途径如图6所示。

通过结构立体化布局实现小型化设计后，功率密度高，因此需要加强系统的传热设计，以保证大热耗传输的有效性。为此，进一步采用FLOTHERM软件对SAR固态发射机整机进行热仿真分析。假设环境温度为40 C°，工作时间为20 min，内部发热单元或器件温度分布仿真结果如图7所示。

通过机热一体化仿真分析，所有元器件和单机组件的热设计满足要求。

图6 SAR固态发射机的多层布局与热传导途径Fig.6 Multilayer layout and heat conduction path of SAR solid-state transmitter

图7 SAR固态发射机热仿真Fig.7 Thermal simulate of SAR solid-state transmitter

3.6 可靠性设计

星载产品高可靠性设计是关键。

3.6.1 设计分析 针对产品的空间环境条件要求，主要从如下几个方面开展了可靠性设计工作：

(1) 空间环境适应性设计

主要开展了热设计、静电防护设计、抗辐照设计、抗力学环境设计、电磁兼容性设计等，同时还开展了产品的抗总剂量辐照试验、静电放电试验和磁测试验证等，获得了单机组件的磁特性和静电防护能力参数，为卫星系统的设计工作奠定基础。

(2) 降额设计

产品所选用元器件均按照GJB/Z 35-93《元器件降额准则》的要求，进行Ⅰ级降额设计，以保证各应力控制在安全工作区范围内，提高产品的可靠性。

(3) 冗余设计

系统考虑了冗余设计、简化设计等措施，并进行了系统FEMA分析、潜通路分析、最坏情况分析等，进一步保证产品的可靠性和安全性。

(4) 关键技术攻关

尤其是在微波大功率设备的真空微放电攻关研究上，突破和掌握了该领域当前最高功率量级的有源电路和无源网络的大功率抗微放电设计和试验验证检测方法。

3.6.2 可靠度计算 根据任务需求，SAR 固态发射机的可靠度设计指标为0.98。

文献[9]中给出了可靠性的相关计算公式：

其中，R(t)为系统可靠度，λk为各组成单元的工作失效率，t为累计工作时间。

SAR固态发射机通过采用多路末级功放组件合成的方式实现大功率输出，并由分配器、合成器、末级功放组件和供配电单机等组成串联系统模型，其可靠度分别用R1, R2, R3和R4表示，系统可靠性框图如图8所示。

当系统无备份或冗余时，末级功放组件为并联模型，通过预计可知，每路功放组件的失效率为λ=3.186×10−6/h ，则总失效率为25.488×10－6/h，对应可靠度计算结果为 R3=0.9503。根据设计 R1=0.9920, R2=0.9982, R4=0.9986，系统可靠度R(t)=R1×R2×R3×R4=0.9397＜0.98，不满足可靠度0.98的要求，因此发射机系统必须考虑备份或冗余。

图8 SAR固态发射机可靠性框图Fig.8 Reliability block diagram of SAR solid-state transmitter

为满足高可靠度要求，针对星载使用的大功率、轻量化和小体积等特点，SAR固态发射机在系统设计中对末级功放组件采用了功率冗余方式，即8路功放组件构成8取7表决冗余系统，可靠性可由式(3)的数学模型进行计算。

4 试验验证和实现结果

4.1 试验验证情况

SAR固态发射机，按照规定的试验条件和试验要求开展了各项环境试验验证工作。主要验证包括：

(1) 各组成单机通过了各项环境试验的考核验证；

(2) 发射机整机通过了同SAR分系统及卫星的各级联试、测试和试验验证；

(3) 发射机整机通过了热平衡试验验证。

其中尤其以整机热平衡试验更具有说服力，整机通过了真空环境下的热试验及性能验证，国内首次开展如此大功率下的真空热平衡试验，试验取得了开创性成果，积累了真空热平衡试验数据，为卫星工程的顺利进展提供了有力保障。

试验结果表明，SAR固态发射机的各项热参数设计完全满足设计指标的要求。热平衡试验系统连接及安装如图9所示。

4.2 实现结果

SAR固态发射机热平衡试验测试结果如图 10所示。

图9 机热平衡试验系统Fig.9 Experimental system of heat balance

由试验曲线可知，SAR固态发射机在各试验工况中均可以达到热平衡，进一步验证了发射机的机热一体化设计满足要求。

SAR固态发射机输出频响曲线如图11所示。

SAR固态发射机在完成了各项试验验证和考核后，通过了总体的验收测试，测试结果完全满足任务要求，并且在关键的功率指标上保证了足够的功率冗余，实现了系统设计功能。

4.3 输出结果与行波管发射机对比

SAR固态发射机的主要输出指标及测试结果与早期行波管方案的发射机对比情况如表3所示。

从表3的对比中可以发现，SAR固态发射机的各项指标均突破了早期行波管方案发射机的要求，指标上实现了全面的替代，并在测试和试验中进一步得到验证。

5 结束语

本文介绍了某 SAR固态发射机的系统设计情况，结合集中式固态发射机合成大功率的特点，经过对星载应用中需要解决的高可靠性、真空环境适应性及小型化立体布局结构设计等一系列关键技术进行分析和论述，通过了各阶段的相关试验验证。

该固态发射机的研制成功，实现了对早期采用行波管发射机方案的全面替代，国内首次成功研制千瓦级星载SAR大功率集中式固态发射机，也是目前国内功率量级最大的S波段星载微波设备。

由于其小型轻量化、高效率、大功率等特点特别适用于小卫星平台，也可为其它各卫星平台使用。

图10 热平衡试验结果Fig.10 Experimental results of heat balance

图11 SAR固态发射机输出频响测试结果Fig.11 Output frequency response test results of SAR solid-state transmitter

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